Sähkömagnetismin kaavoja



Samankaltaiset tiedostot
Sähköstaattinen energia

COULOMBIN VOIMA JA SÄHKÖKENTTÄ, PISTEVARAUKSET, JATKUVAT VARAUSJAKAUMAT

Tilastollisen fysiikan luennot

d L q i = V = mc 2 q i 1 γ = = p i. = V = γm q i + QA i. ṗ i + Q A i + Q da i t + j + V + Q φ

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

FYSA220/2 (FYS222/2) VALON POLARISAATIO

r i m i v i = L i = vakio, (2)

Työn tavoitteita. 1 Johdanto. 2 Ideaalikaasukäsite ja siihen liittyvät yhtälöt

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Monte Carlo -menetelmä

1 0 2 x 1 a. x 1 2x c b 2a c a. Alimmalta riviltä nähdään että yhtälöyhmällä on ratkaisu jos ja vain jos b 3a + c = 0.

Pyörimisliike. Haarto & Karhunen.

Työn tavoitteita. 1 Johdanto. 2 Ideaalikaasukäsite ja siihen liittyvät yhtälöt

MAOL-Pisteitysohjeet Fysiikka kevät 2009

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan dl = α LdT + df = df AE AE Ulkoisen voiman tekemä työ saadaan integroimalla δ W = FdL :

0 Matemaattisia apuneuvoja

Eristeet. - q. Johdannoksi vähän sähköisestä dipolista. Eristeistä

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 7: Lagrangen kertojat. Pienimmän neliösumman menetelmä.

. g = 0,42g. Moolimassat ovat vastaavasti N 2 :lle 28, 02g/ mol ja typpiatomille puolet tästä 14, 01g/ mol.

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

3.5 Generoivat funktiot ja momentit

Esitä koherentin QAM-ilmaisimen lohkokaavio, ja osoita matemaattisesti, että ilmaisimen lähdöstä saadaan kantataajuiset I- ja Q-signaalit ulos.

Sähköstatiikasta muuta. - q. SISÄLTÖ Sähköinen dipoli Kondensaattori Sähköstaattisia laskentamenetelmiä

Jäykän kappaleen liike

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

13. Lineaariset ensimmäisen kertaluvun differentiaalisysteemit

Työssä tutustutaan harmonisen mekaanisen värähdysliikkeen ominaisuuksiin seuraavissa

Jakso 5. Johteet ja eristeet Johteista

Jaksolliset ja toistuvat suoritukset

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT P

Tietoa sähkökentästä tarvitaan useissa fysikaalisissa tilanteissa, esimerkiksi jos halutaan

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Puupintaisen sandwichkattoelementin. lujuuslaskelmat. Sisältö:

Painotetun metriikan ja NBI menetelmä

Galerkin in menetelmä

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA, ohjeita tenttiin ja muutamia teoriavinkkejä sekä pari esimerkkilaskua

Kvanttimekaanisten joukkojen yhteys termodynamiikkaan

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

a) Lasketaan sähkökenttä pallon ulkopuolella

Kvanttimekaanisten joukkojen yhteys termodynamiikkaan

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Venymälle isotermisessä tilanmuutoksessa saadaan AE AE

Mat /Mat Matematiikan peruskurssi C3/KP3-I Harjoitus 2, esimerkkiratkaisut

4. Gaussin laki. (15.4)

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Tchebycheff-menetelmä ja STEM

1, x < 0 tai x > 2a.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Kanoniset muunnokset

( ) ( ) Tällöin. = 1 ja voimme laskea energiatason i. = P n missä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

BL20A0600 Sähkönsiirtotekniikka

9.1 LTY Juha Pyrhönen, TKK Tapani Jokinen, luonnos 9. LÄMMÖNSIIRTO

1. Luvut 1, 10 on laitettu ympyrän kehälle. Osoita, että löytyy kolme vierekkäistä

5. KVANTTIMEKANIIKKAA

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Mat Lineaarinen ohjelmointi

Hallin ilmiö. Laatija - Pasi Vähämartti. Vuosikurssi - IST4SE. Tekopäivä Palautuspäivä

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Karttaprojektion vaikutus alueittaisten geometristen tunnuslukujen määritykseen: Mikko Hämäläinen 50823V Maa Kartografian erikoistyö

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Sähkömagneettinen induktio

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Raja-arvot. Osittaisderivaatat.

S , Fysiikka III (ES) Tentti

Usean muuttujan funktioiden integraalilaskentaa

3 Tilayhtälöiden numeerinen integrointi

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Mittausepävarmuus. Mittaustekniikan perusteet / luento 7. Mittausepävarmuus. Mittausepävarmuuden laskeminen. Epävarmuuslaskelma vai virhearvio?

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

Maxwell ja hänen yhtälönsä mitä seurasi?

Jaetut resurssit. Tosiaikajärjestelmät Luento 5: Resurssien hallinta ja prioriteetit. Mitä voi mennä pieleen? Resurssikilpailu ja estyminen

täydellinen atomaarisen tason kuvaus. Tämän tarkka kuvaaminen on mahdotonta (N ~ N A ), joten tarvitaan tilastollista tarkastelua.

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

JÄNNITETTYJEN ONTELOLAATTOJEN CE-MERKINNÄN MUKAINEN SUUNNITTELU EUROKOODIEN MUKAAN

Mittaustulosten käsittely

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

SATE1140 Piirianalyysi, osa 1 kevät /7 Laskuharjoitus 8: Vaihtosähköpiireissä esiintyvät tehot

Mittausvirhe. Mittaustekniikan perusteet / luento 6. Mittausvirhe. Mittausepävarmuus ja siihen liittyvää terminologiaa

VAASAN YLIOPISTO SATE.2010 DYNAAMINEN KENTTÄTEORIA: KAPPALE 1: JOHDANTO KAPPALE 2: AJAN MUKAAN MUUTTUVAT KENTÄT JA MAXWELLIN YHTÄLÖT

= E(Y 2 ) 1 n. = var(y 2 ) = E(Y 4 ) (E(Y 2 )) 2. Materiaalin esimerkin b) nojalla log-uskottavuusfunktio on l(θ; y) = n(y θ)2

a P en.pdf KOKEET;

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Markov-prosessit (Jatkuva-aikaiset Markov-ketjut)

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

Kuorielementti hum

SATE1140 Piirianalyysi, osa 1 kevät /8 Laskuharjoitus 8: Vaihtosähköpiireissä esiintyvät tehot

Potentiaali ja potentiaalienergia

Uuden eläkelaitoslain vaikutus allokaatiovalintaan

MUODONMUUTOKSET. Lähtöotaksumat:

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

Transkriptio:

ähkömagnetsmn kaavoja. Pstevaraukset ja Coulombn voma..... Coulombn lak kahden pstevarauksen välselle vomalle..... Usean pstevarauksen aheuttama voma varaukseen..... ähkökentän vomakkuus psteessä r.... ähkökentät aneessa..... araustheydet/varauskatteet..... arauksen aheuttama sähkökentän vuo... 4.. ähkökentän vuo suljetun pnnan läp... 4. Gaussn lak... 4.. araustheydet/varauskatteet... 5 4. ähköstaattnen potentaal ja sähköstaattnen energa... 5 4.. Usean pstevarauksen aheuttama potentaal psteessä r... 5 4.. Kahden psteen välnen potentaalero... 5 4.. ähkökenttä potentaaln avulla... 5 4.4. araussysteemn potentaalenerga... 5 4.5. araussysteemn potentaalenerga mussa kun pstevarauksen tapauksssa... 5 5. ähkönen dpol ja ersteet... 6 5.. Dpolmomentt... 6 5.. Dpoln potentaalenerga sähkökentässä... 6 5.. ähköpolarsotuma el dpolmomentttheys... 6 5.4. Pnnalle polarsotunut varauskate... 6 5.5. Ersteen suhteellnen permttvsyys... 6 5.6. ähkönen suskeptvsuus... 6 5.7. Polarsotuma... 6 5.8. ähkövuon theys... 7 5.9. ähkökentän ja sähkövuon käyttäytymnen kahden aneen rajapnnalla... 7 5.. nelluksen lak... 7 5.. Ersteen vakutus systeemn potentaalenergaan... 7 6. Kondensaattort... 7 6.. Kapastanss... 7 6.. Kapastanssn määrttämnen... 7 6.. Kondensaattorn energa... 8 6.4. Kytkentäsäännöt... 8 7. ähköstaattsa laskentamenetelmä... 8 7.. Possonn yhtälö... 8 8. Magneettkentät... 8 8.. Magneettvuo... 9 8.. Magneettvuon theys lkkuvan varauksen tapauksessa... 9 8.. Magneettkentän ja sähkökentän aheuttama voma (Lorenz voma)... 9 8.4. Magneettkentän vomavakutus vrtajohdnalkoon... 9 8.5. Magneettkentän vomavakutus koko johtmeen... 9 8.6. uoraan vrtajohtmeen vakuttava voma... 9 8.7. Magneettmomentt... 8.8. rtaslmukkaan vakuttava voman momentt... 9. Tasavrrat... 9.. rtatheys... 9.. Ohmn lak.... ot-avartn lak...

.. Lak..... uora vrtajohdn.... Amperen lak ja vektorpotentaalt..... Amperen lak..... nkkejä amperen lan laskemseen..... ektorpotentaal.... Magneettset materaalt..... Magnetotuma..... Pntavaraustheys..... Magneettnen suskeptvsuus (e erromagneettsssa anessa)....4. Magneettkentän vomakkuus H.... ähkömagneettnen ndukto..... Faradayn lak..... Itsenduktanss..... olenodn nduktanss....4. Magneettkentän energa... 4. Maxwelln yhtälöt... 4.. Aaltoyhtälöt... 4 4.. Jepjep... 4 4.. Pyontng-vektor... 4 4.4. ähkömagneettsen aallon ntensteett... 4 4.5. Allonptuus... 4 4.6. Tatekerron... 4 4.7. kn-syvyys... 4

. Pstevaraukset ja Coulombn voma.. Coulombn lak kahden pstevarauksen välselle vomalle F 4πε q q r F 4πε q ( r q ) r ama kun edellä, mutta mukana on myös suunta. r on vektor, joka prretään pstevarauksesta q pstevaraukseen q. F on voma, jonka pstevaraus q aheuttaa pstevaraukseen q... Usean pstevarauksen aheuttama voma varaukseen qq F j ( rj r ) 4πε j r r j F j kokonasvoma jonka varaukset q yhdessä aheuttavat varaukseen q j... ähkökentän vomakkuus psteessä r q E r) 4πε r r ( ( r r ). ähkökentät aneessa.. araustheydet/varauskatteet Aneessa (varaustheys) : Pnnalla (varauskate) : Ptuusykskköä kohden : ρ σ λ L

Jos varaustheys e ole vako, vaan noudattaa tunnettua yhtälöä, kokonasvaraus saadaan ntegromalla. Esm. jos kokonasvaraus pnnalla, jossa on varaustheys σ (r), lasketaan seuraavan yhtälön mukasest : σ ( r) d.. arauksen aheuttama sähkökentän vuo.. ähkökentän vuo suljetun pnnan läp E. Gaussn lak E d E d ss ε nkt :. altse ensn Gaussn suljettu pnta. Tämä on yleensä joko pallo ta sylnter.. Prrä seuraavaks varauksesta lähtevät kenttävvat ja Gaussn pnta samaan kuvaan. Ets ne kohdat mssä Gaussn pnta ja kenttävvat ovat kohtsuorassa. ellä pstetulo on nolla. 4. Ets ne kohdat mssä kenttävvat ovat yhdensuuntaset, sellä pstetulo vodaan krjottaa kertolaskuna. 5. Yleensä sähkökenttä on vako, joten sen vo ottaa ntegraalmerkn eteen. 6. Nyt ntegraal on pelkkä pnta-ala nlle aluelle jolla Gaussn pnta ja kenttävvat ovat kohtsuorassa. E merktä enää suljettua ntegraala (?) 7. Laske Gaussn lan okea puol, el määrtä suljetun pnnan ssälle jäävät varaukset I. a. Monest varaus annetaan esm. varaustheytenä, tästä ptää stten laskea varauksen arvo. Esm. araustheys on ρ ja Gaussn pnta on pallo. Nyt tarvtsee laskea gaussn pnnan ssään jäävä varaus joka saadaan kaavasta ρ > ρ, mssä 4 ρ4πr π r > I Musta että varauskate on pnnalle ja varaustheys on tlavuuteen! b. o joutua myös laskemaan varaustheyden tse tlanteessa jossa varaus on tasasest jakautunut pallon ssään ja joudut laskemaan sähkökentän pallon ssällä. 8. Merktse yhtäsuurks molemmat puolet ja ratkase sähkökenttä

.. araustheydet/varauskatteet 4. ähköstaattnen potentaal ja sähköstaattnen energa 4.. Usean pstevarauksen aheuttama potentaal psteessä r φ ( r) 4 q πε r Pakkavektorlla r lmastaan pstevarausten pakat koordnaatstossa. r 4.. Kahden psteen välnen potentaalero 4.. ähkökenttä potentaaln avulla φ ( r ) φ( r ) E dl A A E φ ˆ (ˆ kˆ + j + )φ x y z 4.4. araussysteemn potentaalenerga Kootaan systeem erllsstä varaukssta yks kerrallaan. arauksen srtämseen tarvttava työ sähkökentässä on W A q E dl A qφ ( ra ) qφ( r ) ta U 8πε q j q r j j 4.5. araussysteemn potentaalenerga mussa kun pstevarauksen tapauksssa Potentaal on kätevntä laskea nn kutsutun sähkökentän energatheyden avulla U ε E dτ

Lauseke E TODO : Esmerkk tähän ε kuvaa sähköstaattsta energatheyttä tyhjössä. 5. ähkönen dpol ja ersteet 5.. Dpolmomentt p qaeˆ yksllövektorn e suunta on negatvsesta varauksesta koht postvsta. 5.. Dpoln potentaalenerga sähkökentässä U p E 5.. ähköpolarsotuma el dpolmomentttheys P Np Tämä kuvaa stä mten paljon penä dpoleja on ersteessä tlavuusykskköä koht. 5.4. Pnnalle polarsotunut varauskate arauskate σ P kuvaa pnnalle syntyneden varausten lukumäärää pnta-ala ykskköä kohden. 5.5. Ersteen suhteellnen permttvsyys 5.6. ähkönen suskeptvsuus σ δ P δ P ε 5.7. Polarsotuma χ e P χ E eε P ( ε ) ε E

5.8. ähkövuon theys E d I ( ree) ρ dτ I ( ree) : Gaussn pnnan ssään jäävät vapaat varaukset jotka ovat muta kun polarsaatovarauksa ρ : vapaden varausten theys D ε E + P εε E D 5.9. ähkökentän ja sähkövuon käyttäytymnen kahden aneen rajapnnalla D-kentällä rajapntaa vastaan kohtsuorassa oleva komponentt sälyy E-kentällä sälyy muuttumattomana rajapnnan suuntanen komponentt TODO : JOHDOT? 5.. nelluksen lak cotθ ε cot ε 5.. Ersteen vakutus systeemn potentaalenergaan Kun erste joutuu sähkökenttään shen syntyy penä dpoleja. Energatheys on nyt u D E θ Tlavuudessa oleva sähköstaattnen energa on : U D Edτ 6. Kondensaattort 6.. Kapastanss C 6.. Kapastanssn määrttämnen Kapastanss määrtetään laskemalla ensn Gaussn lan avulla sähkökenttä kappaleden välssä :

Ilmatäyttenen kondensaattor : Erstetäyttenen kondensaattor : E d ss ε E d I ( ree) ρ dτ tten lasketaan potentaalero : φ ( ra ) φ( r ) E dl meseks kapastanss : C araus vo stten olla esm varauskate tms, joten mustappa se! A 6.. Kondensaattorn energa U C C 6.4. Kytkentäsäännöt ähköteekkar ekä nätä musta! 7. ähköstaattsa laskentamenetelmä 7.. Possonn yhtälö φ ρ ε Mssä φ on potentaal ja ρ varaustheys. ähkökenttä saadaan yhtälöstä : E φ Possonn yhtälön ratkasu on tavallsta derentaalyhtälön ratkasemsta annetulla alkuarvolla. Tenttn vo tulla sen kaavan johtamnen ja snä ptää laskea dstä, lol! Operaattort : just joo, saa kaavakokoelmasta joten get lost 8. Magneettkentät

Musta : uure Tunnus Ykskkö Magneettvuo Φ T Wb (Weber) m Magneettvuon theys (Magneettkenttä) T (Tesla) Magneettkentän vomakkuus H A/m Induktanss L Permeablteett 7 µ (4π ) Tm H (Henry) A s N ta Am A 8.. Magneettvuo Φ d 8.. Magneettvuon theys lkkuvan varauksen tapauksessa ( r) µ qv ( r r') 4 r r' π 8.. Magneettkentän ja sähkökentän aheuttama voma (Lorenz voma) F qe + qv Monest tarvtaan myös keskesvomaa Lorenz voman yhteydessä (Lkkuva hukkanen tulee sähkökenttään ja stten on magneettkenttä ja ptää laskea mnne kartuu blablabla) mv F r 8.4. Magneettkentän vomavakutus vrtajohdnalkoon d F Idl 8.5. Magneettkentän vomavakutus koko johtmeen F I dl 8.6. uoraan vrtajohtmeen vakuttava voma F Il

l on johdnvektor, jonka suunta on vrran suunta ja ptuus johtmen ptuus. 8.7. Magneettmomentt m I 8.8. rtaslmukkaan vakuttava voman momentt T m Mstä aheutuu potentaalenerga U m 9. Tasavrrat 9.. rtatheys j Nev 9.. Ohmn lak j σe I j d σ E d A A. ot-avartn lak.. Lak ( r ) µ I 4π d l ' ( r r r r ' ' ) r lmasee pakan mssä magneettkenttä lasketaan (yleensä saadaan orgoon) r ' lmasee johdnalkon pakan.. uora vrtajohdn ( r) µ Idl ( r r') 4 π r r'. Amperen lak ja vektorpotentaalt

.. Amperen lak C dl µ I I Usen myös muodossa dl µ C j d.. nkkejä amperen lan laskemseen altse ensn amperen suljettu käyrä. Yleensä ympyrä ta suorakade. Prrä kuvaan vrtojen aheuttamat magneetkenttävvat ja Amperen slmukka Ets ne kohdat, mssä Amperen slmukka ja kenttävvat ovat yhdensuuntaset, sellä pstetulo dl vodaan krjottaa dl. dl Amperen slmukka Johdn Ets seuraavaks ne kohdat, jossa Amperen slmukka ja kenttävvat ovat kohtsuorassa tosaan vastaan ta mssä kenttävvat on hyvn harvassa, esm. solenodn ulkopuolella, sellä dl on nolla. Yleensä nssä slmukan kohdssa, jossa dl votn krjottaa muotoon dl, on -kenttä vako, jollon vodaan ottaa ntegraalmerkn eteen Nyt ntegraal on pelkkä käyrän ptuus Amperen slmukan kohdsta, jossa slmukka ja kenttävvat ovat yhdensuuntaset. Huomaa että nyt e enää ole välttämättä kyseessä suljettu käyrä, jolle merkttäsn C ntegraalmerkn alle. Laske seuraavaks okea puol, el määrtä slmukan ssään jäävät vrrat. Joskus joutuu laskemaan vrrat käyttäen vrtatheyttä j. Joskus vo joutua ntegromaan. Merktse molemmat puolet yhtäsuurks ja ratkase magneettkenttä... ektorpotentaal A

. Magneettset materaalt.. Magnetotuma M N m N on atomen lukumäärä tlavuusykskössä m on atomn keskmääränen momentt kentän suunnassa.. Pntavaraustheys M nˆ nˆ on pnnan suuntanen ykskkövektor. m on atomn keskmääränen momentt kentän suunnassa.. Magneettnen suskeptvsuus (e erromagneettsssa anessa) M χ µ.4. Magneettkentän vomakkuus H H M µ χ µ µµ H. ähkömagneettnen ndukto.. Faradayn lak E dl d dt d.. Itsenduktanss di L dt L tsenduktanss

dφ L N ta di Φ L N I.. olenodn nduktanss L µ AN l.4. Magneettkentän energa U Hdτ 4. Maxwelln yhtälöt D ρ E t D H j + t Integraalmuodossa C D d E dl H dl d ρ dτ d dt j d d + D d t Tyhjössä E E t E ε µ t

4.. Aaltoyhtälöt 4.. Jepjep E ε µ c 4.. Pyontng-vektor N E H 4.4. ähkömagneettsen aallon ntensteett N E H Intensteett keskmääränen teho W/m H µ 4.5. Allonptuus 4.6. Tatekerron λ v c n v 4.7. kn-syvyys δ µ σω